Трибология - это наука об износе, трении и смазке, которая описывает, как взаимодействующие поверхности и другие трибоэлементы ведут себя при относительном движении в естественных и искусственных системах, включая конструкцию подшипников и смазку.
Трибология - это не изолированная наука, а, скорее, комплексное междисциплинарное направление, в котором успехи достигаются совместными усилиями исследователей в таких областях, как машиностроение, производство, материаловедение и инженерия, химия и химическая инженерия, физика, математика, биомедицинские науки и инженерия. информатика и многое другое.
КАКОВЫ ОСНОВЫ ТРИБОЛОГИИ?
Одним из важнейших столпов трибологии является системно-аналитическое и системное мышление.
Трибологические системы123
Трение и износ не являются свойствами материала. Они являются реакцией на конкретную трибологическую систему, которая обычно включает в себя комбинацию подшипника, вала и смазочного материала, и как таковая зависит от широкого спектра факторов. Трибологическая подсистема на рисунке 1 дает обзор общих факторов, влияющих на значения трения и износа:
Эта трибологическая система состоит из совокупных входных напряжений / рабочих параметров, структуры системы, а также выходных данных по функциям и потерям. Коллективное напряжение включает в себя технические и физические параметры нагрузки, включая нагрузку, скорость скольжения и продолжительность, а также условия движения и температуры, нагружающие систему. структура. Структура системы определяется профилями свойств основных элементов, включая основание, противостоящее тело, а также окружающую и промежуточную среду.
1Хорст Чихос, Карл-Хайнц Хабиг: Руководство по трибологии: Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik, Vieweg + Teubner Verlag, 2010
2Тео Ман, Кирстен Бобзин, Торстен Бартелс: Промышленная трибология: трибосистемы, трение, износ и обработка поверхностей, смазка, Wiley-VCH, 2011
3Тео Ман и др.: Энциклопедия смазочных материалов, Springer Verlag, 2014 г.
КАКОВЫ ОСНОВНЫЕ ВЫЗОВЫ, ПРЕОДОЛЕННЫЕ ДЛЯ ТРИБОЛОГА?
Самая большая проблема заключается в том, что значения трения и износа не могут быть легко перенесены из одной системы в другую, например, с трибологического испытательного стенда в реальное приложение. Сравнение измеренных значений возможно только в том случае, если оно основано на очень похожей трибологической системе. Трибологическое поведение материалов может быть оценено только для конкретных приложений на основе моделирования и имитационных испытаний при условии, что конкретные условия эксплуатации приложения и тестовой среды совпадают.
ТРЕНИЕ И ИЗНОС (1) (2) (3)
Что такое трение?
Трение- сила сопротивления движению между двумя контактирующими телами. На макроскопическом уровне трение можно описать основными законами трения физиков Гийома Амонтона и Шарля-Огюстена де Кулона. Эти физики обнаружили линейную зависимость между результирующей силой трения и приложенной нормальной нагрузкой. Исходя из этого, можно вывести безразмерный основной параметр, называемый коэффициентом трения. Он определяется соотношением результирующей силы трения и приложенной нормальной силы.
Однако реальный механизм трения скольжения происходит на микроскопическом уровне, а это означает, что трибологические теории трения также включают топографию поверхностей. Триболог проводит различие между реальной площадью контакта и номинальной площадью контакта (геометрическими размерами), которая учитывает любые пустоты или неконтактные части твердого элемента. Механизмы, ответственные за процесс преобразования энергии в приповерхностной области, включают:
Что носить?
Износ определяется как необратимая потеря материала взаимодействующих поверхностей. Физические и химические элементарные процессы в зоне контакта скользящей пары, приводящие к изменению материала и формы партнеров трения, известны как механизмы износа. Эти механизмы износа включают:
На механизмы трения и износа сильно влияет структура трибологической системы, а также индуцированное коллективное напряжение:
µ=f (трибоструктура (t), индуцированное коллективное напряжение (t))
w=f (трибоструктура (t), индуцированное коллективное напряжение (t))
Механизмы трения и износа возникают не изолированно, а скорее в результате наложения механизмов, которые сложно определить количественно и контролировать. Это наложение происходит в триботехнических системах в не поддающихся обнаружению пропорциях и в пропорциях, которые меняются в зависимости от времени и места, что делает практически невозможным вычисление процессов трения и износа в трибоконтакте. Вот почему трибологические испытания так важны для оценки трибологического поведения. Если мы хотим интерпретировать и понимать данные трибологических измерений и исследования, ориентированные на механизмы, нам необходимо полное знание действующих механизмов в трибоконтакте.
Трибологи классифицируют условия трения, износа и смазки по следующим графикам:
Режим трения 0:Твердое трение: Трение создается между твердыми поверхностями, непосредственно контактирующими без какой-либо смазки.
Режим трения I:Граничное трение: твердое трение, при котором поверхности партнеров трения покрыты молекулярной смазочной пленкой, не несущей нагрузку. Смазка влияет на характеристики трения и износа.
Режим трения II:Смешанное трение: режимы трения I и III сосуществуют. Величина трения представляет собой сочетание твердого и гидродинамического трения. Жидкая пленка, созданная смазочным материалом, выдерживает нагрузку.
Режим трения III:Гидродинамическое трение: величина трения определяется сдвигом в жидкости. Несущая способность жидкой пленки предотвращает прямой контакт между двумя твердыми поверхностями.
Режим ношения а:Высокая степень износа из-за твердого трения и прямого контакта поверхностей.
Режим ношения b:Более низкие значения износа благодаря пленке молекулярной жидкости.
Режим ношения c:Легкий износ из-за частичного разделения поверхностей через более толстую пленку жидкости.
Режим износа d:«Отсутствие износа» в результате гидродинамических или эластогидродинамических пленок жидкости, которые предотвращают прямой контакт двух поверхностей.
КАКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ МОЖНО ДОСТИГНУТЬ, ПРИМЕНЯЯ ТРИБОЛОГИЮ К КОНСТРУКЦИИ ПОДШИПНИКОВ?
Как трибология может привести к ощутимому улучшению продукта?
Трибологические испытания позволяют нам получать информацию о трибо-характеристиках материалов для разработки новых и лучших конструкций материалов. Затем мы можем выбрать состав материалов для достижения конкретных и лучших трибологических свойств.
Результаты трибологических испытаний и методы анализа поверхности помогают нам оценить трибо-характеристики, включая трение и износ, механизмы разрушения, кинетику переносящих пленок существующих материалов и новых прототипов на основе различных факторов и влияний. Эта информация помогает нам видеть и понимать такие переменные, как влияние различных составов материалов, включая наполнитель, концентрацию наполнителя, синергетические эффекты наполнителей, структуру материала, а также влияние других элементов структуры системы.
Как трибология повышает эффективность и продлевает срок службы подшипниковых материалов?
Трибологически оптимизированные контактные поверхности
Выявление критических факторов, влияющих на трибосистему
Поиск решений для повышения эффективности и снижения износа, в том числе:
Использование материалов с оптимальным трением и износом.
Оптимизация сочетания материалов, что приводит к снижению трения и износа.
Выбор и использование правильных смазочных материалов.
Внесение изменений в конструкцию, которые положительно влияют на общую производительность трибосистемы.
Какие примеры достижений в технологии подшипников дали трибологические исследования?
Для обзора исторических достижений в технологии подшипников, вызванных трибо-исследованиями, прочтитеэта статья в журнале Eureka Magazine. Он охватывает элементарные роликовые подшипники, используемые древними египтянами, шариковые подшипники, используемые римлянами 40 г. до н.э., роль термической обработки закаленной стали и керамики на оксидной основе. В нем также рассказывается о разработке GGB первого самосмазывающегося подшипника скольжения из металла и полимера.
В каких отраслях и приложениях полезна трибология?
Трибология играет центральную роль в приложениях, в которых две соприкасающиеся поверхности движутся относительно друг друга. В некоторых отраслях промышленности предъявляются повышенные требования к трибологическим системам из-за их критичности, требований к непрерывной эксплуатации или экстремальных условий.
О ЧЕМ ДОЛЖЕН ДУМАТЬ ИНЖЕНЕР ПРИ РАЗРАБОТКЕ ИЗДЕЛИЙ ИЛИ ЭКСПЕРИМЕНТАХ ТРЕНИЯ / ИЗНОСА?
Это сильно зависит от приложения. В некоторых случаях требуется низкое трение (например, материалы подшипников), в то время как в других требуется высокое трение (например, тормозные системы). Для большинства применений основной задачей является минимальный износ материалов. Для многих применений часто требуется определенная золотая середина между низким уровнем трения и хорошими характеристиками износа.
При планировании экспериментов, описывающих трение и износ, трибологические испытания можно разделить на одну из шести основных категорий, от полевых испытаний в Категории I до испытаний на простейших лабораторных моделях Категории VI.
Категория I:Полевые испытания проводятся при нормальных рабочих условиях, которые могут включать расширенные рабочие условия. Это приводит к плохой воспроизводимости, но близко к реальным требованиям, с которыми столкнется трибологическая система.
Категория II:Эксперименты проводятся со всем оборудованием в заводской среде. Эти эксперименты могут дать результаты, близкие к нормальным рабочим условиям, и могут проводиться в течение определенного периода времени для воспроизведения расширенных рабочих условий при ограничении воздействия на окружающую среду.
Категория III:Компоненты, подсистемы или узлы испытываются в лаборатории, приближенной к нормальным расширенным условиям эксплуатации, что дает среднюю воспроизводимость.
Категория IV:Лабораторные испытания проводятся на серийных стандартных компонентах с использованием оборудования испытательной установки уменьшенного размера.
Категория V:Эксперименты проводятся на образце с испытательным оборудованием, чтобы обеспечить условия, близкие к нормальным, с отличной воспроизводимостью.
Категория VI: Стендовое испытание проводится с использованием простого лабораторного испытательного оборудования.
Важно помнить, что в категориях с I по III системная структура исходного трибоагрегата остается неизменной, и упрощается только коллективное напряжение. Категории II и III предлагают более воспроизводимые коллективные напряжения, чем категория I. Напротив, в категориях с IV по VI структура системы упрощена, но недостатком является снижение предсказуемости переносимости результатов испытаний в сопоставимые практические триботехнические системы. Категории с IV по VI предлагают лучшую метрологию субтрибоконтакта, более низкую стоимость и более сжатые сроки испытаний.1Таким образом, с порядком возрастания категорий тестов время тестирования, а также его стоимость значительно возрастают, но также увеличивается переносимость результатов теста.
Как мы можем применить тестовые категории к подшипнику субтрибосистемы?
Трибологические испытания подшипниковых материалов можно разделить на четыре основные категории:
Описание характеристик продукта, которое будет включать категории IV и III, чтобы гарантировать переносимость результатов.
Производство / производственный мониторинг, включая категории с VI по IV, с возможной категорией III.
Испытания подшипников, проводимые заказчиком, могут включать категории с III по V, имея в виду, что категория V актуальна только в том случае, если испытание может быть адаптировано как можно ближе к применению.
Все категории могут использоваться для поддержки дизайнеров материалов, при этом более низкие категории на ранних стадиях разработки для предварительного выбора, а категории с более высокими номерами вступают в игру по мере доступности подкомпонентов и конечного продукта.
1Хорст Чихос, Карл-Хайнц Хабиг: Руководство по трибологии: Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik, Vieweg + Teubner Verlag, 2010
КАКОВЫ ПОДХОД GGB К РАЗРАБОТКЕ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ПОДШИПНИКОВ С ПОМОЩЬЮ ТРИБОЛОГИЧЕСКОЙ ЭКСПЕРТИЗЫ?
GGB разрабатывает трибологически оптимизированные материалы на основе трибологических результатов. Мы сочетаем эти знания в области материаловедения и производительности с глубоким пониманием трибологических характеристик наших продуктов и того, как они соответствуют требованиям наших клиентов.
КАКОВЫ ДОСТИЖЕНИЯ GGB В ОБЛАСТИ ТРИБОЛОГИИ, КАК ОНИ ПРИМЕНЯЮТСЯ К РЕШЕНИЯМ ДЛЯ ПОДШИПНИКОВ?
В 2015 году запустилHPMB®самосмазывающийся подшипник с намотанной нитью и обрабатываемыми вкладышамииБиметаллические бессвинцовые подшипники GGB-SZ.
В 2014 году запустила серию самосмазывающихся подшипников из спеченной бронзы и спеченного железа, в том числеGGB-BP25,GGB-FP20иGGB-SO16.
Подшипники GGB сыграли роль в высадке на Луну в 2012 году марсохода NASA Curiosity.. Всамосмазывающийся ДУ®металлополимерные подшипникислужат в качестве основных компонентов подвески бурового шпинделя марсохода.
В 2010 году были запущены материалы для превосходных характеристик в условиях минимальной смазки или в сухих условиях, включая бессвинцовые металлополимерные материалы.DP10иDP11.
В 2009 году запустила линейку продуктов с намоткой на волокнах для европейского и азиатского рынков, включая прочную, стабильную конструкцию для требований высоких нагрузок и низкого износа.
НовыйDX®10 подшипниковотмечены победой в конкурсе North American Frost& Премия Салливана за инновации года в категории подшипников для грузовых автомобилей класса 7-8 присуждается за выдающиеся достижения в области новых продуктов и технологий в отрасли.
В 2003 году представилбессвинцовый металлополимерный материал DP31с улучшенными характеристиками в условиях смазки и меньшим трением, лучшей износостойкостью и повышенной усталостной прочностью.
ЗапущенEPTM, новая линейка литых под давлением термопластичных твердых полимерных подшипников.
В 1995 году представилбессвинцовый металлополимерный материал DP4 на стальной основедля удовлетворения потребностей автомобильных амортизаторов и других гидравлических систем.
Взял на себя высокотемпературные приложения с запуском в 1986 годуHI-EX®несущий материал.
Запущена первая линейка продуктов для намотки нитей в США, включаяГАР-МАКС®, выдерживающие высокие статические и динамические нагрузки.
В 1965 г. спущен на водус минимальной смазкой DX®металлополимерный материалдля консистентной или масляной смазки.
В 1956 году GGB представилDU®, первый металлополимерный подшипниковый материал на стальной основе с бронзой и футеровкой из ПТФЭ.для превосходного низкого трения и износостойкости. В том же году компания представила DU-B с бронзовой основой для повышения коррозионной стойкости.
В 1887 году Олин Дж. Гарлок запатентовал свою первую промышленную систему уплотнения для уплотнения поршневых штоков в промышленных паровых двигателях.
КАК ТРИБОЛОГИЯ МОЖЕТ УМЕНЬШИТЬ ИЛИ ИСКЛЮЧИТЬ НЕОБХОДИМОСТЬ В ЖИДКИХ СМАЗКАХ?
Смазочные материалы являются частью трибологии, но в некоторых случаях смазка может быть встроена в материал компонентов трибосистемы.
Поэтому конструкторы материалов создают специальные материалы для условий сухой смазки, достигая превосходных трибологических характеристик, связанных с трением и износом, с уменьшением или устранением жидких смазочных материалов.
КАК СОСТОЯНИЕ ВАЛА И ПЕРЕДАЧНОГО СЛОЯ ВЛИЯЕТ НА ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ?
Поскольку вал является важным элементом конструкции трибологической системы подсистемы подшипников. Его свойства оказывают непосредственное влияние на трение и износ, а также на все другие явления, возникающие при контакте подшипника с валом. Основные свойства вала включают:
Материалы и их химические и физические свойства
Геометрические свойства, включая топографию и коэффициент контакта.
КАКИЕ ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ НУЖНО УЧИТЫВАТЬ ПРИ ВЫБОРЕ ПОДШИПНИКОВ? КАК ЭТИ ФАКТОРЫ ВЛИЯЮТ НА ВЫБОР ПОДШИПНИКОВ?
При выборе подшипника большое значение имеет объем трибологической системы. Обзор соображений высокого уровня будет включать следующее:
1. Индуцированный коллективный стресс, в том числе:
Характер нагрузки
Характер движения
Температуры
Фактор времени
2. Брачный партнер:
Материалы, включая физико-химические свойства
Геометрические характеристики, включая коэффициент контакта и топографию (шероховатость, изотропия и анизотропия)
3. Межфазная среда и ее характеристики.
4. Окружающая среда и ее свойства.
5. Теплопроводность конструкции.